高噸位消防車等效荷載取值研究
王明， 唐笑一， 衛(wèi)江華， 張勛， 李曄
（成都基準方中建筑設計有限公司，成都610031）
[摘要] 當前，國內(nèi)許多城市采購了高噸位(63t)登高消防車，但對于該車在消防車道上行駛及在撲救工作狀態(tài)下的等效荷載尚未有權(quán)威的數(shù)據(jù)資料。依據(jù)成都市有關消防部門提供資料及現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，對該車在不同的車型組合、不同的著地位置、不同的覆土深度等工況下的均布荷載進行了等效研究。得到了63t級消防車在正常行駛時和展開撲救工作時的等效均布荷載計算值，可為考慮該消防車荷載項目的結(jié)構(gòu)設計及規(guī)范編制提供參考。
[關鍵詞] 高噸位登高消防車；等效均布荷載；消防車道；ABAQUS軟件
0 引言
當前，國內(nèi)許多城市采購高噸位(63t)登高消防車（圖1），詳見表1。此消防車最高有效高度為101m，為曲臂式結(jié)構(gòu)，適用于69~lOlm高度建筑物的火災救火和救生，代表最高水平現(xiàn)代消防技術和消防能力極限，采用的是6軸商用卡車底盤，整車重量63t，有較好的穩(wěn)定性與靈活性，能保持高速行駛。然而對于該車在消防車道上行駛時或在消防撲救面上工作時的等效荷載取值尚沒有可靠的分析和論證，本文將對這一問題進行深入的探討。
1 消防車規(guī)格
本文研究的消防車為63t級登高消防車和編制《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》( GB 50009-2012)（簡稱荷載規(guī)范）選用的30t級滅火消防車。通過去成都市消防中隊特勤大隊二中隊現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)、與消防指揮官交流以及相關招標文件資料獲知：63t級登高消防車本身并沒有儲水功能，滅火施救時旁邊會有一般滅火消防車為其供水或者取水于消火栓。當其展開液壓支撐進行登高作業(yè)時，周圍約20m以內(nèi)不準停放任何其他車輛（包括為其供水的滅火消防車），為全面考慮各類工況，進行了63t級登高消防車及63t級登高消防車+30t級滅火消防車組合工況驗算。
63t級登高消防車前軸重為2×90kN，后軸重為4 x 112. 5kN，有4個前輪和12個后輪，車高3.96m，車寬2. 55m，車長15. 5m，輪壓作用尺寸見圖2。通過查閱文獻[2]以及現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)得知：30t級滅火消防車，全車滿載總重300kN，前軸重為60kN，后軸重為2 x120kN，有2個前輪和8個后輪，車寬2.5m，車長8. 0m，輪壓作用尺寸見圖3，圖中0.6m輪壓寬度表示兩個并列的車輪寬度加上車輪間凈距。
2 覆土影響
當樓板上沒有覆土的時候，消防車輪壓作用尺寸如圖2、圖3所示。當覆土厚度不為零時，土的擴散作用使得作用在樓板上的輪壓尺寸變大，壓強變小。土越厚，作用在樓板上的輪壓尺寸越大，壓強也就越小。由于輪胎間距固定，經(jīng)過一定深度覆土擴散之后，樓板上輪壓的作用面積會發(fā)生一定的重疊，使得重疊區(qū)域壓強變大，重疊次數(shù)越多，重疊區(qū)域的壓強也就越大，詳見圖4。不僅樓板上的覆土對輪壓有擴散作用，混凝土樓板本身對輪壓也有擴散作用，擴散角取45。。經(jīng)s厚覆土擴散以后的輪壓寬度6。。和長度6。，按下式計算：
式中：btx,bty分別為沒有覆土時的輪壓寬度和長度；s，h分別為樓板上覆土厚度和樓板厚度；日為土的擴散角，工程上常取35°。
針對不同的覆土厚度，根據(jù)式(1)和式(2)計算出的單個輪壓擴散尺寸和壓強詳見表2。
本文研究所采用的樓板厚ho=0.1m，而在實際工程中樓板厚度種類繁多，由此可以根據(jù)擴散后輪壓面積相等的原則利用式(3)將多余樓板厚度折算到覆土厚度里面來考慮其影響，詳見圖5。
式中：S為標準樓板（ho=0.Im）上的折算覆土厚度；s為樓板上的覆土厚度。
考慮到消防車起動和制動時的動力效應，根據(jù)不同的覆土厚度，消防車荷載應乘以動力放大系數(shù)，消防車輪壓動力系數(shù)見表3。然而覆土對減輕動力效應有一定的有利作用，所以覆土厚度大于一定值時(0.7m)，可以不用考慮汽車的動力效應。
3 消防車最不利布置
由于后軸軸重均比前軸大，并且根據(jù)圖2中的前軸和后軸間距，經(jīng)過詳細研究之后得出，在最不利荷載位置上前軸和后軸輪壓不會出現(xiàn)在同一常規(guī)板跨內(nèi)（包括輪壓經(jīng)過1. 5m厚覆土擴散之后），故只考慮后軸輪壓對樓板的影響。同時由整車尺寸可以得出在考慮常規(guī)板跨(3~6m)時，不可能出現(xiàn)兩車尾尾相接并且所有后軸輪壓均作用在同一板跨內(nèi)（包括輪壓經(jīng)過1. 5m厚覆土擴散之后）的情況，故只研究兩車并行時后輪對樓板的影響。消防車的最不利布置與樓板跨度和覆土厚度均有關，限于篇幅現(xiàn)僅舉例63t級登高消防車和30t級滅火消防車作用在3m×3m板跨上的情況，詳見圖6，其中A，B和C分別表示輪壓A、輪壓B和輪壓C三種輪壓；A+B表示輪壓A和輪壓B的疊加，余同；A2表示2倍輪壓A的疊加，余同。
4 樓面等效均布荷載取值方法
參照荷載規(guī)范附錄C，按照四邊簡支雙向板絕對最大彎矩等值的原則來確定等效荷載。首先在四邊簡支雙向板上作用單位均布荷載g．，求出X向、l，向兩跨中彎矩M，和M，為：
5 消防車道等效均布荷載取值算例
此次計算四邊簡支雙向板跨中彎矩采用有限元軟件ABAQUS，運用S4R殼單元模擬混凝土樓板，劃分網(wǎng)格尺寸為0. 05m×0.05m．混凝土泊松比取0.2，土擴散角取35 0，混凝土擴散角取45。，樓板厚度采用標準樓板厚度ho=0.1m。
此次詳細研究了3m×3m，4m×4m，5m×Sm，6m x6m四種板跨，考慮0，0.5，1.0，1.2，1.5m五種覆土厚度情況下63t級登高消防車和30t級滅火消防車的等效荷載，共計120個計算模型和115種消防車不利布置。由于篇幅有限就不再贅述，僅舉例6m×6m樓板跨1臺63t級登高消防車作用的情況，見圖7。消防車等效均布荷載計算結(jié)果見表4和圖8。
由表4和圖8可以看出，等效均布荷載隨著樓板跨度的增大而逐漸減小，同時主要板跨的等效均布荷載隨著覆土厚度增大而逐漸減小。當樓板跨度較小和覆土厚度較小時，等效均布荷載隨樓板跨度、覆土厚度增大而減小的趨勢較明顯，整體趨勢和荷載規(guī)范的保持一致。63t級+30t級兩臺消防車組合的等效均布荷載均比一臺63t級消防車大。
將63t級+30t級兩臺消防車組合作用的等效均布荷載計算值和兩臺30t級消防車作用的等效荷載規(guī)范值進行比較，見圖9。
由圖9可見，除了3m×3m樓板跨在1.2m和1. 5m厚覆土情況下等效均布荷載計算值比規(guī)范值略小外，其余均比規(guī)范值大，其中6m x6m樓板跨的等效均布荷載計算值較規(guī)范值大很多。由于荷載規(guī)范取值考慮了兩臺30t級消防車共同作用的情況，而本文只考慮了一臺63t級消防車單獨作用和63t+30t級兩臺消防車共同作用的情況，故建議實際工程設計時取等效均布荷載計算值和規(guī)范值的較大值�？紤]行駛63t級消防車的消防車道等效均布荷載和覆土厚度折減系數(shù)工程設計取值建議見表5。
6 消防撲救面等效均布荷載取值算例
63t級消防車開展滅火施救工作時，整車重量支承在四個從車身展出的伸臂上，在每個伸臂與地面接觸的位置鋪設尺寸為0. 94m×0.94m的墊板（圖10）。由于消防車工作時，周圍20m范圍內(nèi)不能停放任何車輛，故最不利情況只考慮每個板塊中間作用一個伸臂局部荷載，墊板上單個輪壓擴散尺寸和壓強與覆土厚度的關系詳見表6。消防撲救面的等效均布荷載計算結(jié)果詳見表7和圖11。
由表7和圖11可知，消防撲救面的等效均布荷載隨著樓板跨度增大和覆土厚度增大而減小。
由于63t級消防車在開展滅火施救工作時，存在荷載偏心，為考慮其影響做以下補充計算：確定出一個放大系數(shù)，以方便工程設計采用，荷載偏心放大系數(shù)計算簡圖見圖12。
考慮一定的消防救援人數(shù)和噴水設備，取P=5. 25 kN，求得支座反力Yl=330. 59kN，Y2=304. 66kN，取y1，Y2兩者的大值計算荷載偏心引起的放大系數(shù)，建議取330. 59/315=1.05。
7 布置消防回轉(zhuǎn)場時注意事項
在設計一般消防車車道時考慮其轉(zhuǎn)彎半徑為15m，而此次研究的63t級登高消防車要求的轉(zhuǎn)彎半徑最小為18m，在布置消防回轉(zhuǎn)場時應予以重視。
8 結(jié)論
(1)雖然63t級登高消防車整車較重，但是車輪數(shù)量較多，所以等效均布荷載和30t級消防車比較，差別并不太大。
(2)消防車道的等效均布荷載計算結(jié)果沒有考慮動力效應，實際工程中應結(jié)合覆土厚度選用動力放大系數(shù)予以考慮。
(3)對于63t級消防車，計算消防撲救面的等效均布荷載時，應考慮荷載偏心影響，將計算值乘以荷載偏心引起的放大系數(shù)。
(4)消防車等效均布荷載輸入時應區(qū)分消防車道與消防撲救面，當覆土厚度小于Im時尤其重要。
上一篇:防火建筑外保溫模板技術研究
